Måling av statistisk læring på tvers av modaliteter og domener hos barn i skolealderen via en nettbasert plattform og neuroimagingsteknikker

Summary

Presentert her er en protokoll som introduserer et sett med barnevennlige statistiske læringsoppgaver rettet mot å undersøke barns læring av timelige statistiske mønstre på tvers av domener og sensoriske modaliteter. De utviklede oppgavene samler inn atferdsdata ved hjelp av den nettbaserte plattformen og oppgavebaserte funksjonelle magnetiske resonansavbildningsdata (fMRI) for å undersøke nevrale engasjement under statistisk læring.

Abstract

Statistisk læring, en grunnleggende ferdighet for å trekke ut regulariteter i miljøet, regnes ofte som en kjernestøttemekanisme for førstespråkutviklingen. Mens mange studier av statistisk læring utføres innenfor et enkelt domene eller modalitet, tyder nyere bevis på at denne ferdigheten kan variere basert på konteksten der stimuli presenteres. I tillegg er det få studier som undersøker læring når det utfolder seg i sanntid, og fokuserer heller på utfallet av læringen. I denne protokollen beskriver vi en tilnærming for å identifisere det kognitive og nevrale grunnlaget for statistisk læring, innenfor et individ, på tvers av domener (språklig vs. ikke-språklige) og sensoriske modaliteter (visuelle og auditive). Oppgavene er utformet for å kaste så lite kognitiv etterspørsel som mulig på deltakerne, noe som gjør den ideell for unge barn i skolealderen og spesielle populasjoner. Atferdsoppgavens nettbaserte natur gir oss en unik mulighet til å nå mer representative befolkninger over hele landet, estimere effektstørrelser med større presisjon og bidra til åpen og reproduserbar forskning. De nevrale tiltakene som tilbys av den funksjonelle magnetiske resonansavbildningsoppgaven (fMRI) kan informere forskere om nevrale mekanismer som er engasjert under statistisk læring, og hvordan disse kan variere på tvers av individer på grunnlag av domene eller modalitet. Til slutt tillater begge oppgavene måling av sanntidslæring, da endringer i reaksjonstiden til et målstimulans spores over eksponeringsperioden. Hovedbegrensningen ved å bruke denne protokollen er knyttet til eksperimentets timelange varighet. Barn må kanskje fullføre alle fire statistiske læringsoppgaver i flere sitteplasser. Derfor er den nettbaserte plattformen utformet med denne begrensningen i tankene, slik at oppgaver kan spres individuelt. Denne metodikken vil tillate brukere å undersøke hvordan prosessen med statistisk læring utfolder seg på tvers av og innenfor domener og modaliteter hos barn fra ulike utviklingsbakgrunner.

Introduction

Statistisk læring er en elementær ferdighet som støtter oppkjøpet av regelstyrte kombinasjoner i språkinnspill¹. Vellykket statistisk læringsevne hos spedbarn spår senere språklæring suksess^2,3. Variasjon i statistiske læringsferdigheter hos barn i skolealderen har også vært forbundet med^{ordforråd 4} og lesing^5,6. Vanskeligheter med statistisk læring er foreslått som en etiologisk mekanisme underliggende språkforringelse⁷. Til tross for sammenhengen mellom statistisk læring og språkutfall i både nevrotypiske og atypiske populasjoner, forblir de kognitive og nevrale mekanismene som ligger til grunn for statistisk læring dårlig forstått. I tillegg har tidligere litteratur vist at innenfor en individuell, statistisk læringsevne ikke er ensartet, men uavhengig på tvers av domener og^{modaliteter 6,8,9}. Utviklingsbanen for statistiske læringsevner kan ytterligere variere på tvers av domener og modaliteter¹⁰. Disse funnene understreker viktigheten av å vurdere individuelle forskjeller i statistisk læring på tvers av flere oppgaver gjennom hele utviklingsforløpet. Feltet krever imidlertid først en mer systematisk undersøkelse av forholdet mellom statistisk læring og førstespråkutvikling. For å løse disse spørsmålene bruker vi innovative metoder, inkludert en nettbasert testplattform¹¹ som når et stort antall barn, og laboratoriebaserte neuroimaging teknikker (funksjonell magnetisk resonansavbildning, eller fMRI) som undersøker sanntidskoding av statistisk informasjon.

Standard mål for statistisk læring begynner med en familiarization fase og etterfølges av en to-alternativ tvungen valg (2-AFC) oppgave^12,13. Den kjente fasen introduserer en kontinuerlig strøm av stimuli innebygd med statistiske regulariteter, hvor noen stimuli er mer sannsynlig å samtidig forekomme sammen enn andre. Presentasjonen av disse samtidig forekommende stimuli følger en fast timelig rekkefølge. Deltakerne blir passivt eksponert for strømmen i fortrolighetsfasen, etterfulgt av en 2-AFC-oppgave som tester om deltakeren vellykket hentet ut mønstrene. Nøyaktighetsoppgaven 2-AFC presenterer to påfølgende sekvenser: en sekvens er presentert for deltakeren i fortrolighetsfasen, mens den andre er en ny sekvens, eller inneholder en del av sekvensen. Nøyaktighet over sjanse på 2-AFC ville indikere vellykket læring på gruppenivå. Tradisjonelle atferdsoppgaver som vurderer statistisk læring, er generelt avhengig av nøyaktighet som resultatmål for læring. Nøyaktigheten klarer imidlertid ikke å ta høyde for den naturlige læringen av informasjon som den utfolder seg i tide. Et mål på sanntidslæring er nødvendig for å benytte seg av den implisitte læringsprosessen for statistisk læring der barn fortsatt koder regelmessighetene fra^{inngangene 14,,15,,16}. Ulike tilpasninger på tvers av paradigmer har blitt utviklet i et forsøk på å bevege seg bort fra 2-AFC-tiltaket, mot tiltak for on-line læring gjennom atferdsresponser under^{eksponeringen 16}. Studier som benytter disse tilpasningene som måler reaksjonstiden i eksponeringsfasen fant at de var relatert til nøyaktighet etter læring¹⁷ med bedre testtest pålitelighet sammenlignet med nøyaktigheten hos voksne elever¹⁸.

Nevrale tiltak er også grunnleggende for vår forståelse av hvordan læring utfolder seg over tid, da den implisitte prosessen der språklæring skjer, rekrutterer sannsynligvis forskjellige nevrale ressurser fra de som brukes når språket er^{lært 19}. Nevrale tiltak gir også innsikt i forskjeller i kognitive spesialiseringer underliggende språkevne på tvers av spesielle populasjoner²⁰. Hvordan tilstandskontrasten er utformet i en fMRI-studie er avgjørende for hvordan vi tolker mønstre for neural aktivering under læring. En vanlig praksis er å sammenligne hjerneresponser under familiariseringsfasen mellom sekvenser som inneholder vanlige mønstre versus de som inneholder de samme stimuli som bestilles tilfeldig. Imidlertid fant tidligere forskning som implementerer en slik tilfeldig kontrolltilstand ingen bevis for læring i atferd, til tross for nevrale forskjeller mellom strukturerte og tilfeldige sekvenser. Dette kan skyldes forstyrrelsen av tilfeldige sekvenser om læring av strukturerte sekvenser, da begge ble konstruert fra samme stimuli^21,22. Andre fMRI studier som benyttet bakover tale eller tidligere læringsblokker som kontrolltilstand bekreftet læring fant sted^{atferdsmessig 19,23}. Imidlertid introduserte hvert av disse paradigmene sin egen forvirrende faktor, for eksempel effekten av språkbehandling for den tidligere saken og effekten av den eksperimentelle rekkefølgen for sistnevnte tilfelle. Vårt paradigme bruker den tilfeldige sekvensen som kontrolltilstand, men reduserer deres innblanding på deltakernes læring av de strukturerte sekvensene. Vårt fMRI paradigme implementerer også en blandet blokk / hendelsesrelatert design, noe som gjør det mulig for samtidig modellering av forbigående prøverelaterte og vedvarende oppgaverelaterte BOLD-signaler²⁴. Til slutt, og mer generelt, nevrale tiltak tillate måling av læring i populasjoner der eliciting en eksplisitt atferdsrespons kan være vanskelig (f.eks utviklingsmessige og spesielle populasjoner)²⁵.

Den nåværende protokollen vedtar et responstidsmål, i tillegg til tradisjonelle nøyaktighetstiltak, og undersøker hjerneaktivering i fortrolighetsfasen. Kombinasjonen av disse metodene tar sikte på å gi et rikt datasett for undersøkelse av læringsprosesser i sanntid. Den nettbaserte plattformen tilbyr et sett med læringstiltak ved å inkludere både responstid i eksponeringsfasen og nøyaktigheten til 2-AFC-oppgaven i testfasen. Neuroimaging protokollen gjør det mulig for undersøkelse av de underliggende nevrale mekanismer som støtter statistisk læring på tvers av domener og modaliteter. Selv om det er optimalt å måle statistisk læring hos en person ved hjelp av både nettbaserte og fMRI-protokoller, utformes oppgavene slik at de kan spres uavhengig, og derfor som to uavhengige tiltak for statistisk læring. FMRI-eksperimentene som inngår i den nåværende protokollen, kan bidra til å klargjøre hvordan stimulanskoding, mønsterutvinning og andre bestanddeler av statistisk læring er representert av bestemte hjerneregioner og nettverk.

Protocol

Alle deltakerne ga skriftlig samtykke til å delta og studere ble gjennomført i samsvar med Institutional Review Board. 1. Oversikt over det statistiske læringsparadigmet som benyttes i den nettbaserte protokollen Inkluder fire oppgaver i det nåværende paradigmet: bilde (visuell-nonlinguistic), brev (visuell-språklig), tone (auditiv-nonlinguistic), og stavelse (auditiv-språklig). Konstruer stimuli for visuelle oppgaver ved hjelp av 12 frittstående fremmede tegneseriebi…

Representative Results

Nettbaserte atferdsresultaterGitt den nåværende protokollen er utformet for enkel formidling med utviklingspopulasjoner, har vi inkludert foreløpige nettbaserte resultater basert på data fra 22 utviklende barn i skolealder (Gjennomsnitt (M) alder = 9,3 år, Standard avvik (SD) alder = 2,04 år, rekkevidde = 6,2-12,6 år, 13 jenter). I den nettbaserte statistiske læringsoppgaven presterte barn betydelig bedre enn 0,5 sjansenivå på alle forhold, noe som indikerer vellykket statistisk læring på…

Discussion

Metodene som presenteres i den nåværende protokollen gir et multimodale paradigme for å forstå atferds- og nevrale indeksene for statistisk læring i løpet av utviklingen. Den nåværende utformingen gjør det mulig å identifisere individuelle forskjeller i statistisk læringsevne på tvers av modaliteter og domener, som kan brukes til fremtidig undersøkelse av forholdet mellom statistisk læring og språkutvikling. Siden en persons statistiske læringsevne er funnet å variere på tvers av domener og<sup class="x…

Materials

4 Button Inline Response Device	Cambridge Research Systems	SKU: N1348	An fMRI reponse pad used for measuring in-scanner response time
Short/Slim Canal Tips	Comply Foam	SKU: 40-15028-11	Short & slim in-ear canal tips are recommended for children to protect hearing and allow for them to hear the stimuli while in the scanner.
jsPsych	jsPsych	https://www.jspsych.org/	jsPsych is a JavaScript library for running behavioral experiments in a web browser.
Speech Synthesizer	Praat	Version 6.1.14	This program is an artificial speech synthesizer which was used to create the syllable stimuli.
Web-based statistical learning tasks	Zenodo	http://doi.org/10.5281/zenodo.3820620 (2020).	All web-based statistical learning tasks are available for free access on Zenodo.